Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

После двух тысяч лет исследования свойств материи, с тех пор, когда Демокрит и другие греки задались вопросом о составе Вселенной, физика произвела на свет две конкурирующие теории, совершенно несовместимые между собой. Первая – это квантовая теория, которой нет равных при описании мира атомов и элементарных частиц. Вторая – общая теория относительности Эйнштейна, подарившая нам захватывающие дух теории черных дыр и расширяющейся Вселенной. Главный парадокс в том, что эти две теории – полные противоположности. Они исходят из разных начальных предположений, пользуются разной математикой и опираются на разные физические картины. Квантовая теория построена на дискретных пакетах энергии, называемых «квантами», и описывает танец элементарных частиц. А теория относительности основана на гладких поверхностях.

Ученые сегодня уже сформулировали самый прогрессивный вариант квантовой физики, который воплотился в так называемой Стандартной модели, объясняющей субатомные экспериментальные данные. В каком-то смысле это самая успешная теория в природе; она описывает свойства трех (электромагнитного, слабого и сильного ядерного) из четырех фундаментальных взаимодействий. Несмотря на успешность Стандартной модели, у нее есть две бросающиеся в глаза проблемы. Во-первых, она чрезвычайно некрасива; возможно, это одна из безобразнейших теорий, когда-либо предлагавшихся в науке. Теория просто связывает между собой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, причем связывает достаточно искусственно. Это как соединить при помощи скотча кита, муравьеда и жирафа и утверждать, что это высшее достижение природы, конечный продукт миллионов лет эволюции. При ближайшем рассмотрении Стандартная модель представляет собой путаный случайный набор элементарных частиц со странными бессмысленными названиями, такими как кварки, бозоны Хиггса, частицы Янга – Миллса, W-бозоны, глюоны и нейтрино. Хуже того, Стандартная модель вообще не упоминает о гравитации. Более того, если попытаться искусственно привязать гравитацию к Стандартной модели, выяснится, что теория сразу же рушится. Она начинает выдавать ерунду. На протяжении 50 лет все попытки связать квантовую теорию с теорией относительности оставались безрезультатными. А учитывая ее эстетические дефекты, можно заключить, что единственный довод в ее пользу – то, что она, безусловно, верна в пределах соответствующих экспериментальных данных. Очевидно, необходимо пойти дальше Стандартной модели и заново пересмотреть объединяющий подход Эйнштейна.

Теперь, через 50 лет, ведущим кандидатом на роль теории всего – теории, способной объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, – является так называемая теория суперструн. Более того, это единственный претендент на эту роль, поскольку все конкурирующие теории уже отброшены. Физик Стивен Вайнберг сказал: «Теория струн стала нашим первым реальным кандидатом на роль окончательной теории». Вайнберг говорит, что все карты, по которым ориентировались древние моряки, указывали на существование легендарного Северного полюса, хотя прошло немало столетий, прежде чем Роберт Пири в 1909 г. наконец добрался до него. Аналогично все открытия в физике элементарных частиц указывают на существование «Северного полюса» Вселенной, то есть единой теории поля. Теория суперструн может вобрать в себя все лучшие черты квантовой теории и теории относительности удивительно простым способом. Теория суперструн основана на идее о том, что элементарные частицы можно рассматривать как ноты на колеблющейся струне. Если Эйнштейн сравнивал вещество с деревом из-за его путаных свойств и хаотичной на первый взгляд природы, то теория суперструн сводит материю к музыке. (Эйнштейну, который был превосходным скрипачом, это, вероятно, понравилось бы.)